1 引言
筆者曾在《電氣工程應(yīng)用》雜志上連續(xù)發(fā)表7篇文章，較詳細(xì)地介紹了低壓電網(wǎng)的諧波與治理，由于文章涉及內(nèi)容確實(shí)很多，所以篇幅較大。某些讀者此前并未接觸《電氣工程應(yīng)用》，現(xiàn)將其內(nèi)容壓縮成本文，也許能節(jié)約讀者的時(shí)間，如果想了解更細(xì)一點(diǎn)，還得請(qǐng)閱讀《電氣工程應(yīng)用》2005年雜志。
本文的大部分內(nèi)容都依據(jù)iec標(biāo)準(zhǔn)，如本文末的參考資料所示，所以文中的結(jié)論，表格和數(shù)據(jù)應(yīng)是可靠的，唯有關(guān)于源濾器器部分與iec標(biāo)準(zhǔn)無(wú)關(guān)，因到目前為止，iec尚無(wú)有關(guān)有源濾波器的產(chǎn)品與應(yīng)用方面的標(biāo)準(zhǔn)與資料。關(guān)于有源濾波器的外特性和原理，介紹了筆者對(duì)參考資料[9]的理解和體會(huì)，但這只是理想狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)狀況的分析，由于有源濾波器檢測(cè)元件的精度有限，也存在檢測(cè)延時(shí)，加之檢測(cè)取樣方式的不同，有源濾波的諧波內(nèi)阻抗不可能為0，即不能完全濾掉諧波，如果諧波是動(dòng)態(tài)變化的，情況更復(fù)雜，但本文仍適用于理想狀態(tài)下的穩(wěn)態(tài)分析。
2 關(guān)于諧波與治理的基礎(chǔ)知識(shí)
2.1 諧波的三個(gè)電氣性能[8]
(1)半波對(duì)稱性
因此沒(méi)有直流分量，偶次諧波也被抵消，因?yàn)閷?duì)于電力系統(tǒng)它是由正反雙向?qū)ΨQ的元件組成的。對(duì)于變流器，則不包括“不對(duì)稱的半控橋”，此外也不包括電弧爐電焊機(jī)等元件。
(2)相序性
諧波次數(shù)中，3的倍數(shù)次是0序如3、9、15次等，6k+1次是正序，如7次13次等，6k-1次是負(fù)序，如5次11次等。k為1.2.3等正整數(shù)。
(3)獨(dú)立性
平衡電力系統(tǒng)中的線性網(wǎng)絡(luò) 對(duì)各次諧波的響應(yīng)是獨(dú)立的，可以將各次諧波個(gè)別進(jìn)行處理，例如各次諧波電路的并聯(lián)、串聯(lián)等。
2.2 諧波的特點(diǎn)(和基波比)
(1)容易發(fā)生諧振
串聯(lián)諧振nωl=
使諧波電抗為0;
并聯(lián)諧振nωl=
使諧波電抗為∞。
(2)諧波阻抗=基波電抗(z1)×諧波次數(shù)(h)，但諧波阻抗中若有并聯(lián)諧振的條件，則此公式不成立。
此時(shí)應(yīng)為zh=z1×h×k(10＞k＞1)，中壓網(wǎng)可能有這種情況，低壓網(wǎng)少見(jiàn)。
(3)諧波源可有好多個(gè)，各諧波源的電勢(shì)難求，但發(fā)射的諧波電流有規(guī)律可循。
2.3 電磁兼容性中各量的關(guān)系
見(jiàn)iec61000系列電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)，有g(shù)b對(duì)應(yīng)。如圖1所示。
圖1 電磁兼容性各量的關(guān)系
3 低壓電網(wǎng)諧波主要來(lái)源及諧波電流估算
3.1 移相交流調(diào)壓控制器
(1)用電設(shè)備示例:調(diào)溫電阻加熱器、白熾燈調(diào)光、軟啟動(dòng)器等(電力電子型)。
(2)單相設(shè)備諧波電流 ihmax/ilmax如表1所示。
表1 單相移相調(diào)壓交流控制器諧波電流ihmax/ilmax
表1中,當(dāng)移相控制角α=0,即不控時(shí),基波電流最大,表示為ilmax。
特點(diǎn):
流過(guò)網(wǎng)側(cè)和負(fù)載側(cè)是同一個(gè)電流;
ihmax和ilmax不同時(shí)出現(xiàn);
純阻性負(fù)載時(shí)(r/z=1)諧波電流最大。
(3)三相四線設(shè)備或三相聯(lián)接(單相設(shè)備)—正序負(fù)序電流和單相設(shè)備同
三相四線聯(lián)接yn接，則中線上有零序電流及正負(fù)序的不平衡電流。
三相負(fù)荷對(duì)稱y接，無(wú)零序電流(3的倍數(shù)次諧波)。
3.2 三相電流型諧波源(二極管或scr整流，直流側(cè)用大電感平波)
(1)設(shè)備示例:直流調(diào)速裝置，中頻或高頻感應(yīng)電爐，電流型變頻器(少見(jiàn))。
(2)諧波電流ih/i1=1/h
式中:h為諧波次數(shù)，對(duì)于特征諧波h=6k±1。
3.3 電壓型諧波源(二級(jí)管或scr整流，直流側(cè)用大電容平波)
(1)單相設(shè)備
設(shè)備示例:it設(shè)備，電視機(jī)，交流整流供電熒光燈(電子鎮(zhèn)流器);
諧波電流見(jiàn)參考資料[1] ;
特點(diǎn):諧波含量很大，i3/i1可達(dá)0.9左右，但gb[5]、[6]對(duì)諧波發(fā)射量有限制。
(2)三相設(shè)備
示例:變頻器(通用型)，ups設(shè)備，eps設(shè)備(電子型);
諧波電流如表2所示[2]。
表2 三相電壓型諧波源得諧波相對(duì)值
特點(diǎn):諧波大小與短路比rsc成正相關(guān)關(guān)系;
rsc=輸入側(cè)短路功率/裝置直流額定功率=1/x%;
ih 諧波電流; i1基波電流;
x%為輸入側(cè)的系統(tǒng)短路阻抗相對(duì)值。
3.4 氣體放電燈(交流直接供電)
(1)示例:鈉燈等;
(2)諧波電流: ih/i1≤20%，典型值約14%。
3.5 交流弧焊機(jī)、直流弧焊機(jī)諧波含量復(fù)雜，只有實(shí)測(cè)
4 電流的合成(以下公式也適用于中壓)
(1)各次諧波電流的合成
按iec標(biāo)準(zhǔn)[3]，合成后的第h次的諧波電流ih
ih=
上式中:ihi為待合成的i個(gè)h次諧波發(fā)射水平;
α合成指數(shù)，如表3所示:
表3 諧波發(fā)射水平α合成指數(shù)
α=1 表示i個(gè)h次諧波的相位相同
(2)諧波電流含量
全部各次諧波電流平方和之方根
(3)總電流
等效發(fā)熱電流
(4) thd=ih/i1電流諧波總畸變率
5 諧波的危害
5.1 諧波的騷擾效應(yīng)
(1)持續(xù)時(shí)間≥10min為長(zhǎng)期效應(yīng)——影響設(shè)備發(fā)熱;
(2)持續(xù)時(shí)間≤3s為甚短期效應(yīng)——騷擾電子設(shè)備。
5.2 最易受害設(shè)備、元件:
(1)長(zhǎng)期效應(yīng)——使并聯(lián)電容器過(guò)載、諧振;中性線過(guò)熱;
(2)甚短期效應(yīng)——騷擾過(guò)程自動(dòng)化儀表、醫(yī)療儀器、試驗(yàn)室儀器、繼電保護(hù)。
5.3 典型受擾單位:變頻器、ups用量多的車間，it設(shè)備量多的建筑等
6 諧波標(biāo)準(zhǔn)
(1)公用網(wǎng) 見(jiàn)《gb/t 14549-93 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》
要限制的量:對(duì)公用電網(wǎng)是諧波電壓(公用網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)是不管工廠網(wǎng)的諧波電壓大小的)，對(duì)各用戶是諧波電流的分配。
(2)工廠網(wǎng)(專用網(wǎng))見(jiàn)《gb/t18039.4-2003(idt iec61000-2-4:1994)電磁兼容環(huán)境，工廠低頻傳導(dǎo)騷擾的兼容水平》，gb、iec為工廠電網(wǎng)規(guī)定的諧波含量是各次諧波電壓及總諧波畸變率的兼容水平，現(xiàn)匯總于表4和表5中。
要限制的量:諧波電壓 但對(duì)工廠分為三類，一類要求嚴(yán)，三類寬;二類同iec標(biāo)準(zhǔn)中的公用網(wǎng)(iec61000-2-2:1990或gb/t18089.3-2003,iec又有2002年新版)。
注:不嚴(yán)格限制各設(shè)備的諧波電流,由工廠業(yè)主自己考慮如何分配給用電設(shè)備。
7 諧波治理措施之一——減少設(shè)備的諧波電流發(fā)射水平(參見(jiàn)第1節(jié))
(1)對(duì)移相調(diào)壓——如不采用，則改用調(diào)幅調(diào)壓;
(2)對(duì)電流型諧波源——增加整流相數(shù)(脈動(dòng)數(shù))例:由6相改為12相;
(3)對(duì)電壓型諧波源。
增加整流相數(shù)(同上);
減少rsc(輸入側(cè)串電抗器)。
8 諧波治理措施之二——減少電力電源系統(tǒng)的諧波阻抗(視條件可能)
8.1 對(duì)于配電變壓器
(1)增大功率或減少短路阻抗xk% ;
(2)提升變壓器原邊電壓等級(jí)，例由10kv改為35kv;
(3)繞組結(jié)線采用dyn或dd或yd。
但這不是好辦法，因零序電流(3的倍數(shù)次諧波)雖可在d或d繞組內(nèi)流通而消除了零序諧波電壓，但由于銅耗增加,通用型變壓器要降容。
(4)選k系數(shù)變壓器或普通變壓器降容使用
降容系數(shù)
其中
，美國(guó)有所謂k系數(shù)變壓器，見(jiàn)美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ieee[4]，可以選用，我國(guó)沒(méi)有，只有選用普通變壓器降容運(yùn)行。
示例，某一低壓系統(tǒng)的k=4.171，則d=0.7074，在美國(guó)可選用k=4的特種變壓器，而在國(guó)內(nèi)，則將普通配電變壓器降容至70%運(yùn)行。
(5)分隔法 將諧波源和諧波敏感負(fù)荷分開(kāi)由不同變壓器供電
8.2 增設(shè)濾波器(并聯(lián)型有源或無(wú)源濾波器)
濾波器和配電變壓器相比，其諧波阻抗低，因而使低壓系統(tǒng)諧波電壓降低。不過(guò)濾波器和諧波源之間的諧波電流是仍然有的。
9 無(wú)源濾波器(并聯(lián)型)
——l、c串聯(lián)
9.1 分類及功能
(1)失諧濾波器:——各并聯(lián)電容器串同一個(gè)電抗率的電抗，按最低次諧波頻率偏離大于10%來(lái)選取電抗率，例若有三次諧波時(shí)電抗率k>1.102×1/32選>14%。其功能:主要是補(bǔ)償，有一定的濾波作用。
(2)調(diào)諧濾波器——不同諧波次數(shù)串聯(lián)的電抗的電抗率偏離調(diào)諧頻率不大于10%，例如對(duì)三次k<1.102，可選13%，五次可選5%等。其功能:主要是濾波，帶有一定的補(bǔ)償能力。
(失諧和調(diào)諧濾波器均為iec標(biāo)準(zhǔn)的命名。另有并聯(lián)電容器，不串或串小量電抗值的電抗器，只用于補(bǔ)償，且系統(tǒng)中的諧波含量要很小，否則易于發(fā)生諧振。)
9.2 優(yōu)點(diǎn)
(1) 設(shè)備簡(jiǎn)單 選用標(biāo)準(zhǔn)的電容器和特制的電抗器;
(2) 價(jià)格較低。
9.3 調(diào)諧濾波器的缺點(diǎn)
(1)l.c參數(shù)要求嚴(yán)格, 不致使l.c因?yàn)槔匣?、溫度變化、流過(guò)的電流變化、制造參數(shù)的容差而使調(diào)諧頻率偏移>10%(包括電網(wǎng)本身的頻率偏移1%)否則易進(jìn)入諧振區(qū)而損壞設(shè)備;
(2)濾波效率相對(duì)較低(因有10%調(diào)諧頻率偏移)不適用電壓波形要求嚴(yán)格的場(chǎng)合;
(3) 濾波能力和無(wú)功補(bǔ)償能力有時(shí)難以兼顧，如變頻器諧波大、但功率因數(shù)不低，無(wú)功因不能過(guò)補(bǔ)償，只能降低濾波要求;
(4) 諧波量有動(dòng)態(tài)變化時(shí)，可以分級(jí)跟蹤，但可能又妨礙了無(wú)功補(bǔ)償?shù)母?，因此它比較適合于諧波穩(wěn)定場(chǎng)合;
(5) 要避免在濾波器之間產(chǎn)生諧振，例如5次諧波可能引起3次濾波器和7次濾波器之間的諧振;
(6) 濾波器一旦裝上，以后增加的諧波可能使濾波器過(guò)載;
(7) 難以和并聯(lián)有源濾波器直接并聯(lián)，因二者的阻抗相差懸殊;
(8)由于要考慮的問(wèn)題較多，工程設(shè)計(jì)的工作量大。
10 并聯(lián)型有源濾波器paf
10.1 原理
一般都認(rèn)為:“實(shí)時(shí)檢測(cè)電網(wǎng)中由非線性負(fù)載產(chǎn)生的電流波形，分離出諧波部分，將其反相，再通過(guò)igbt逆變器的作用，將反相電流注入到電網(wǎng)中，實(shí)現(xiàn)濾除諧波功能”。下面是另一種解釋，本質(zhì)是統(tǒng)一的，只是解釋不同。
10.2 按電路原理解釋其工作狀態(tài)
圖2 paf作用原理電路
圖2中:
es系統(tǒng)低壓電源電勢(shì)(基波);
zs低壓電源內(nèi)阻抗;
efh paf生成的諧波電勢(shì);
uzf paf內(nèi)阻抗zf上的諧波電壓降;
eh 諧波源的諧波電勢(shì);
zl 諧波源的內(nèi)阻抗(包括外串阻抗);
g paf內(nèi)的諧波檢測(cè)器。
10.3 paf 理想狀態(tài)工況解釋
(1) 諧波電流ih不流向系統(tǒng)，則uabh應(yīng)＝0
uabh＝uzf－efh，
其中uzf＝ih×zf
(2) ih只在paf和諧波源回路內(nèi)流動(dòng)，即
由于諧波源是電壓型，其諧波內(nèi)阻抗很小，故為了限制諧波電流，必須在變頻器外串電抗器。
(3)設(shè)低壓系統(tǒng)沒(méi)有背景諧波，即電源不產(chǎn)生諧波。
(4) 為使uabh=0 uzf=ihzf=efh即efh的相位必須和ih相同且希望檢測(cè)器工作無(wú)延時(shí)。
(5) uabh=0，但ih≠0，即等同于ab兩點(diǎn)間諧波阻抗zabh=0，對(duì)諧波電流來(lái)說(shuō)為“0”阻抗通道，因此無(wú)源濾波器ppf和paf若直接并聯(lián)，不會(huì)有電流通過(guò)ppf，除非在諧波次數(shù)上進(jìn)行濾波的分工，即各分擔(dān)不同次的諧波濾波。
(6) paf本身是電壓源，但輸出諧波電壓很低，諧波電流可很大。
11 幾個(gè)工程現(xiàn)實(shí)問(wèn)題及解決問(wèn)題的步驟
11.1 諧波量的確定
工業(yè)企業(yè)可以在設(shè)計(jì)中估算，較準(zhǔn)確的是實(shí)測(cè)，而商業(yè)辦公樓只能實(shí)測(cè)。
11.2 決定量是諧波電壓還是諧波電流？
對(duì)工廠電網(wǎng):取決于諧波電壓(低壓網(wǎng)的)，各單個(gè)設(shè)備的諧波電流發(fā)射量由業(yè)主來(lái)分配大小。
對(duì)公用網(wǎng):諧波允許電壓按公用網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，公用網(wǎng)內(nèi)各用戶允許的合成后的諧波電流大小，由電力部門分配大小。一般應(yīng)和有功消耗成正比。
11.3 工廠網(wǎng)或私用(專用)網(wǎng)要裝設(shè)濾波器嗎？
諧波的兼容性水平有三類，決定于你的用電設(shè)備的性質(zhì)，如果用電設(shè)備有很多變頻器或用電設(shè)備的抗擾水平較高，則可選用第三類即諧波電壓含量最高的一類，如果有個(gè)別或少量用電設(shè)備是抗擾水平低的，也可為這少量設(shè)備改善局部的電磁環(huán)境。如果設(shè)備中很多為對(duì)電源騷擾很敏感的設(shè)備，例如過(guò)程自動(dòng)化儀表、計(jì)算機(jī)、實(shí)驗(yàn)室的電氣儀器等，則宜選用第一類，即允許諧波電壓含量最低的一類，這種分類是一般性的，有時(shí)要分析具體的工程要求。工廠網(wǎng)的上一級(jí)(中壓網(wǎng))如果是公用網(wǎng)，則送到中壓網(wǎng)中去的諧波電流的大小，原則上應(yīng)取得電力網(wǎng)的同意。
總之下列三種場(chǎng)合要仔細(xì)研究，慎重決策:
(1) 用電設(shè)備對(duì)諧波電壓敏感;
(2) 電網(wǎng)內(nèi)諧波源較多，并且裝有并聯(lián)電容器，低壓網(wǎng)內(nèi)的諧波應(yīng)優(yōu)先在低壓網(wǎng)內(nèi)濾掉;
(3)電網(wǎng)內(nèi)有較多單相用電設(shè)備為諧波源的場(chǎng)合，可能對(duì)中性線帶來(lái)問(wèn)題。
12 中性線上的諧波電流和等效發(fā)熱總電流
最嚴(yán)重情況下in=1.73il 為最大值(注意是il而不是i1)
in為中線上的總電流=ih=
il 為相線上的總電流=
所以in=1.73×2.24i1=3.88i1(i1為基波)
最嚴(yán)重情況是同時(shí)存在下列條件:(這種情況少見(jiàn)，詳細(xì)分析見(jiàn)文獻(xiàn)[7])
(1)三相負(fù)荷均衡且都是單相負(fù)荷;
(2) 單相負(fù)荷全是電壓源型諧波源，且制造廠未遵守gb[5][6]的規(guī)定;
(3)對(duì)產(chǎn)品的諧波未采取限制諧波電流的措施。
：鞏經(jīng)理
：13915946763
：南京塞姆泵業(yè)有限公司
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